Energy and entropy: a dynamic duo

Cover......Page 1
Half Title......Page 2
Title Page......Page 4
Copyright Page......Page 5
Dedication......Page 6
Contents......Page 8
Preface......Page 16
Acknowledgments......Page 20
 1.1 MYSTERIOUS INVISIBLE ENERGY......Page 22
  1.1.1 Internal energy......Page 23
  1.1.2 Brownian motion......Page 26
 1.2 CALORIC: A SEDUCTIVE IDEA......Page 27
  Work......Page 31
  Heat......Page 33
  Material transfer......Page 35
  1.4.1 Rigid bodies......Page 38
  1.4.2 Frictionless surfaces......Page 39
 1.5 DILUTE GAS MODEL: IDEAL GAS......Page 40
 1.6 ENERGY DEFINITIONS, UNITS......Page 42
 1.7 ENERGY TRANSFORMATION EXAMPLES......Page 46
  2.1.1 Conservation of energy......Page 56
  2.1.2 Inadequacy of work-energy theorem......Page 57
 2.2 HEAT DEFINED IN TERMS OF WORK......Page 60
 2.3 ENERGY IS NOT SUFFICIENT......Page 61
  2.4.1 Energy exchanges & equity......Page 62
  2.4.2 Carnot cycle & reversibility......Page 65
  2.5.1 International temperature scale......Page 70
  2.5.2 What is temperature?......Page 73
  2.6.1 Clausius’s main contributions......Page 75
  2.6.2 Clausius entropy & entropy increase......Page 77
  2.6.3 Systems not in equilibrium......Page 78
  2.6.4 Disgregation......Page 79
  2.6.5 Entropy as missing information......Page 80
  2.6.6 Confusion about entropy......Page 82
 3.1 COMPOSITE SYSTEMS......Page 84
  3.2.1 Why probabilities?......Page 87
  3.2.2 Boltzmann, probability & entropy......Page 89
  3.3.1 Concavity......Page 92
  3.3.2 Reflections on the entropy vs. energy curve......Page 95
  3.3.3 Equity revisited......Page 96
  3.4.1 Boltzmann reservoir......Page 97
  3.4.2 Boltzmann factor......Page 98
  3.4.3 Statistical mechanics......Page 100
  3.5.1 Understanding free energy......Page 101
  3.5.2 Available energy and exergy......Page 104
  3.5.3 Available energy with finite reservoirs......Page 108
  3.5.4 Entropic force......Page 110
Chapter 4: Gases, Solids, Polymers......Page 116
 4.1 IDEAL GAS SACKUR-TETRODE ENTROPY......Page 117
  4.1.1 Quantum ideal gases......Page 119
 4.2 NONIDEAL GASES & THE VIRIAL EXPANSION......Page 124
  4.2.1 Liquid-vapour phase transition......Page 125
  4.2.2 Clausius–Clapeyron equation......Page 127
  4.2.3 Van der Waals gas......Page 128
  4.2.4 Virial expansion......Page 132
  4.3.1 Mixing or expansion?......Page 133
  4.3.2 Mixing entropy function......Page 136
  4.3.3 Gibbs paradox & information......Page 138
  4.3.4 The role of information......Page 139
  4.4.1 Einstein model......Page 141
  4.4.2 Debye solid......Page 145
  4.5.1 Ideal paramagnet......Page 147
  4.5.2 Negative temperature......Page 150
  4.5.3 Ferromagnets......Page 153
  4.6.1 Rubber band experiment......Page 159
  4.6.2 Model of a rubber band......Page 161
 4.7 NUCLEAR BINDING ENERGY, FISSION, FUSION......Page 162
 4.8 JARZYNSKI FREE ENERGY EQUALITY......Page 164
  4.8.1 Examples of the Jarzynski equality......Page 170
 5.1 EM RADIATION & TEMPERATURE......Page 174
 5.2 BLACKBODY RADIATION......Page 176
  5.3.1 What is a photon gas?......Page 177
  5.3.2 Photon gas equations & graphs......Page 180
  5.3.3 Photon gas processes......Page 182
 5.4 KIRCHHOFF’S & PLANCK’S LAWS......Page 184
  5.4.1 Incandescent lamps......Page 188
  5.4.2 Cosmic microwave background radiation......Page 192
  5.4.3 Hawking radiation from black holes......Page 193
  5.4.4 What you see is not always what you get......Page 197
 6.1 NUMERICAL ENTROPY......Page 200
 6.2 ENTROPY OF ELEMENTS & COMPOUNDS......Page 204
  6.3.1 Nuances of entropy......Page 205
  6.3.2 Three statements of the third law......Page 206
  6.3.3 Metastable states and residual entropy......Page 208
  6.3.4 Comparison of the third and other laws of thermodynamics......Page 209
 6.4 ENTROPY UNITS, DIMENSIONLESS ENTROPY......Page 210
  6.4.2 Dimensionless entropy......Page 211
  6.4.3 Numerics......Page 212
  6.4.4 Physical interpretation of tempergy......Page 214
  7.1.1 Thing vs process......Page 216
  7.1.2 Analogy: Bank transactions &......Page 218
  7.1.3 More about defining heating energy......Page 219
  7.1.4 Isothermal, reversible volume changes......Page 221
  7.1.5 Work and heat for friction processes......Page 222
  7.2.1 Thermal equilibrium & zeroth law......Page 225
  7.2.2 Heating & direction of energy flow......Page 226
  7.2.3 Linkage between first and second laws......Page 227
  7.3.1 More about metaphors......Page 228
Chapter 8: Working, Heating, Cooling......Page 234
  8.1.2 How Clausius used cycles......Page 235
  8.1.4 PV & TS diagrams......Page 237
  8.2.1 Reversible Carnot cycles......Page 238
  8.2.2 Efficiency measures......Page 240
  8.2.3 Reversible & irreversible Otto cycles......Page 242
  8.2.4 Reversible & irreversible Stirling cycles......Page 245
  8.2.5 Irreversible Carnot engine......Page 248
 8.3 IRREVERSIBILITY & 2ND LAW EFFICIENCY......Page 250
 8.4 COMBINED-CYCLE HEAT ENGINES......Page 252
 8.5 LORD KELVIN’S HEAT PUMP......Page 255
  8.6.1 Cooling techniques......Page 258
  8.6.2 Joule-Thomson process......Page 260
  8.6.3 Liquid helium-4......Page 263
  8.6.4 Helium-3......Page 266
  8.6.5 Adiabatic demagnetisation......Page 269
Chapter 9: Sanctity of the 2nd Law of Thermodynamics......Page 272
  9.1.1 Statistical nature of the 2nd law......Page 273
  9.1.2 The Szilard engine......Page 275
  9.1.3 Measurement, memory, erasure......Page 278
  9.1.4 Maxwell’s demon, efficiency, power......Page 285
 9.2 THERMODYNAMICS & COMPUTATION......Page 286
  9.3.1 Smoluchowski’s trapdoor......Page 287
  9.3.2 Feynman ratchet and pawl......Page 290
  9.4.1 Fluctuation phenomena......Page 292
  9.4.2 Asymmetry & flashing Brownian ratchet......Page 294
  9.4.4 Brownian ratchets & the 2nd law......Page 298
  9.5.1 Perpetual motion machines......Page 299
  9.5.3 Thermal electrons in a magnetic field......Page 302
  9.5.4 Thermal electrons in a capacitor......Page 306
  9.5.5 Theory of air column in gravitational field......Page 307
  9.5.6 Spontaneous pressure differences......Page 310
 10.1 REFLECTIONS......Page 314
  10.2.1 Lieb-Yngvason formulation of thermodynamics......Page 316
  10.2.2 Quantum mechanics and the second law......Page 317
 11.1 DERIVATIVES & GIBBS-DUHEM EQUATION......Page 320
Subject Index......Page 322
Author Index......Page 328